Unbekannte Proben im Werkstofflabor
AFB I–IIIn einem Recyclinghof sollen vier unbeschriftete Kunststoffteile sortiert werden. Eine Laborantin führt drei Tests durch:
| Probe | Erwärmen auf 200 °C | Dehnen bei 20 °C | 24 h in Toluol |
|---|---|---|---|
| P1 | wird weich, zieht Fäden | reißt nach geringer Dehnung | löst sich |
| P2 | bleibt formstabil, dunkelt ab 280 °C | bricht spröde | unverändert |
| P3 | bleibt elastisch, zersetzt sich ab 250 °C | 200 % dehnbar, federt zurück | quillt stark |
| P4 | schmilzt | dehnt sich plastisch, bleibt verformt | quillt und löst sich teilweise |
- Ordnen Sie jeder Probe eine Kunststoffklasse zu.
- Beschreiben Sie die Struktur der Makromoleküle in P2 und P3 und skizzieren Sie jeweils einen Ausschnitt.
- Erklären Sie das unterschiedliche Verhalten von P1 und P3 in Toluol.
- Beurteilen Sie, welche Proben sich durch Einschmelzen zu neuen Produkten verarbeiten lassen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
P1 Thermoplast, P2 Duroplast, P3 Elastomer, P4 Thermoplast (schmelzbar, plastisch verformbar, teilweise löslich).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
P2: engmaschiges räumliches Netz, sehr viele Atombindungen zwischen den Ketten (Skizze: dichtes Gitter). P3: Ketten mit wenigen Vernetzungsstellen (Skizze: geknäuelte Ketten, einzelne Querbrücken).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Toluol dringt zwischen die Ketten und schwächt die zwischenmolekularen Kräfte. Die unvernetzten Ketten von P1 lösen sich einzeln ab (Lösung). In P3 halten die Atombindungen der Vernetzung die Ketten zusammen: das Netz weitet sich nur auf (Quellung).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Nur P1 und P4 (Thermoplaste) lassen sich einschmelzen und neu formen. P2 und P3 zersetzen sich beim Erhitzen; sie können höchstens zerkleinert als Füllstoff oder energetisch verwertet werden.
Vom Kautschuk zum Hartgummi
AFB II–IIINaturkautschuk besteht aus langen, unvernetzten Polyisopren-Ketten; er ist im Sommer klebrig-weich und im Winter hart. Beim Vulkanisieren wird er mit Schwefel erhitzt: Schwefelbrücken \(\ce{-S_x\bond{-}}\) verknüpfen die Ketten. Messwerte einer Versuchsreihe:
| Schwefel-Massenanteil | Eigenschaft bei 20 °C | Verhalten bei 150 °C |
|---|---|---|
| 0 % | weich, bleibt gedehnt | fließt, klebt |
| 2 % | gummielastisch | bleibt elastisch |
| 10 % | zäh, wenig dehnbar | bleibt formstabil |
| 35 % | hart, spröde (Hartgummi) | bleibt hart |
- Werten Sie die Messreihe hinsichtlich der Kunststoffklassen aus.
- Erklären Sie, warum vulkanisierter Kautschuk nach dem Dehnen in die Ausgangsform zurückkehrt, unvulkanisierter aber nicht.
- Deuten Sie, warum Naturkautschuk im Winter hart wird, obwohl sich seine Struktur nicht ändert.
- Bewerten Sie die Vulkanisation im Hinblick auf die Wiederverwertung von Gummiprodukten.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Ohne Schwefel verhält sich Kautschuk wie ein Thermoplast (fließt). Mit 2 % Schwefel entsteht ein Elastomer. Mit steigendem Schwefelanteil nimmt die Zahl der Brücken zu; bei 35 % entsteht ein engmaschiges Netz mit duroplastischem Verhalten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Beim Dehnen werden geknäuelte Ketten gestreckt. Ohne Brücken gleiten sie aneinander vorbei und bleiben verschoben. Die Schwefelbrücken halten die Ketten an festen Punkten; nach dem Loslassen kehren sie in den wahrscheinlicheren, geknäuelten Zustand zurück.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Bei tiefer Temperatur reicht die Energie nicht mehr aus, um die Ketten gegeneinander zu bewegen; die zwischenmolekularen Kräfte „frieren“ die Ketten ein — der Stoff wird hart (glasartig). Die Struktur bleibt gleich, nur die Beweglichkeit sinkt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Vorteil: Erst die Vernetzung macht Gummi temperaturbeständig und elastisch — Voraussetzung für Dichtungen, Schläuche, Schuhsohlen. Nachteil: Das Netz ist nicht schmelzbar; Gummi kann nicht wie Thermoplaste eingeschmolzen werden, sondern nur zerkleinert (Granulat) oder energetisch/rohstofflich verwertet werden. Abwägung: für langlebige Produkte sinnvoll, Recycling bleibt eine Herausforderung.